Entwicklung und Erprobung eines innovativen lnline-Dehnrheometers zur prozessnahen Materialcharakterisierung und Produktivitätssteigerung in der Schaumextrusion

Abstract

Die Auszieh- und Dehnfähigkeit von Polymerschmelzen ist bei vielen Prozessen der Kunststoffherstellung und -verarbeitung entscheidend für die Qualität des Produktes. In Folge der stetig zunehmenden Verarbeitungsmengen von Rezyklaten mit teilweise nicht genau definierter Zusammensetzung und unbekannter Vorgeschichte, kommt in allen Fertigungsverfahren der Kenntnis über das prozessnahe Fließ- und damit das Verarbeitungsverhalten der Kunststoffe eine stetig größere Bedeutung zu. Zusätzlich zu den allgemeinen Scher- und Dehnströmungen innerhalb des Extruders sowie des Werkzeugs (und damit der Vorgeschichte innerhalb des heißen Anlagenteils) kommen bei vielen Fertigungsverfahren die Dehnungseigenschaften des Materials erst außerhalb dieser Anlagenkomponenten in entscheidendem Maße zu tragen. Exemplarisch kann hier das Verstrecken der Schmelze in der Schlauchbildungszone bei der Blasfolienextrusion, auf dem Kalander der Flachfolienextrusion oder beim Aufblasen eines Preforms bzw. Vorformlings im Streckblas- bzw. Extrusionsblasformen angeführt werden [MHM+11]. Auch bei der Extrusion thermoplastischer Schäume sind nach dem Austritt aus dem Werkzeug die Dehneigenschaften der Schmelze entscheidend. Beim Aufschäumvorgang entscheidet die biaxiale Dehnfähigkeit der treibmittelbeladenen Schmelze maßgeblich darüber, ob ein geschäumtes Halbzeug innerhalb der Spezifikationen extrudiert werden kann. Zur Beschreibung dieser Verarbeitungsverfahren sowie zur prozessnahen Materialcharakterisierung ist die Bestimmung der dehnelastischen Eigenschaften der Schmelze unerlässlich. Eine Bestimmung der Scherviskosität oder gar des Schmelzindex ist nicht ausreichend, da generell nur eine geringe, in engen Grenzen gültige Korrelation zwischen Scherviskosität und Dehnviskosität besteht. Die Kenntnis des einen erlaubt im Allgemeinen keine zuverlässige Vorhersage des anderen [NN93]. Als Mittel der Wahl für die Eingangskontrolle von Materialien (insbesondere von Rezyklaten), als Möglichkeit zur Vorab-Beurteilung der Materialeignung für das jeweilige Verarbeitungsverfahren oder auch zur kontinuierlichen Überprüfung der Qualität innerhalb der Produktion werden Rheometer eingesetzt. Hier hat sich eine Vielzahl unterschiedlicher Bauweisen und Prüfmethoden (ziehend, oszillierend, drehend, verstreckend etc.) etabliert. Die Auswahl des Prüfverfahrens erfolgt häufig in Anlehnung an den Verarbeitungsbereich oder nach der im Prozess vorherrschenden Deformation. Insbesondere bei der Auswahl eines Prüfverfahrens/Rheometers für die biaxiale Dehnviskosität stehen Anwender allerdings vor der Entscheidung entweder (bezogen auf z.B. die Temperatur) prozessnah bei einer anderen als der im Prozess vorherrschenden Deformationsart zu charakterisieren (beispielsweise mittels des uniaxialen Rheotens-Versuchs) oder bei korrekter biaxialer Deformationsart aber gänzlich anderen Prozessbedingungen (z.B. bei nur 100 °C in einem Reckrahmen). Trotz somit nur begrenzter Aussagekraft hinsichtlich des Prozess-Verarbeitungsverhaltens unter biaxialer Dehnung, haben sich offline-Messungen der uniaxialen Dehnviskosität auch in der Schaumextrusionsbranche etabliert und die Werte der korrespondierenden Prüfmethoden werden (auch bei Schäumtypen) auf den Materialdatenblättern gelistet. Damit das Potenzial von Rezyklaten und von speziell für gewisse Anwendungen modifizierten Kunststoffen (Schäumtypen) zielgerichtet hinsichtlich der Eignung zur Verarbeitung bestimmt werden kann, wird ein (Inline)-Rheometer zur Bestimmung der biaxialen Dehnviskosität von Kunststoffschmelze unter extrusionstypischen Bedingungen (Temperatur, Druck, Dehnmode, Dehnrate) benötigt. Daher lag der Fokus der Arbeiten auf der Entwicklung, Fertigung und Erprobung eines Inline-Dehnrheometers zur prozessnahen dehnrheologischen Charakterisierung von Kunststoffschmelze. Auf Basis einer iterativ-analytischen Brechnungsmethode wurde die grobe Kontur des rheometrischen Fließkanals sowie die Betriebslasten abgeschätzt. Anhand von Strömungssimulationen wurde eine finale Fließkanalgeometrie ausgewählt, die dann in ein Werkzeugkonzept umgesetzt, auskonstruiert, gefertigt und erprobt wurde. Es kamen kommerziell erhältliche Polypropylen-Typen unterschiedlicher molekularer Struktur zum Einsatz. Zur weiteren Variation wurden Blends aus linearen und langkettenverzweigten Polypropylen (PP) hergestellt. Erstmalig wurden relative biaxiale Dehnviskositäten unter Prozessbedingungen ermittelt. In Abhängigkeit der Blendzusammensetzung wurden diese Werte den Dehnviskositäten von uni- und biaxial prüfenden Referenzverfahren gegenübergestellt, wobei das neuartigen Verfahren zuverlässig die mittels Referenzverhalten festgestellten Trends nachvollzieht. Am Beispiel der Schaumextrusion erfolgte abschließend die Korrelation mit der Schaumqualität physikalisch geschäumter Folie, um die Möglichkeiten und Grenzen des Dehnrheometers als Mittel zur Vorhersage der Schäumbarkeit von Materialien aufzuzeigen. Es konnte ein minimales Niveau an (biaxialer) Dehnviskosität als Voraussetzung für eine adäquate Schaumqualität identifziert werden. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.